Daur ulang limbah plastik katalitik langsung – Nature Nanotechnology

Menurut dokumen terbaru yang diterbitkan oleh Persatuan Internasional untuk Konservasi Alam (IUCN), setidaknya 14 juta ton plastik berakhir di lautan setiap tahunnya, sehingga mengancam ekosistem laut, keamanan pangan, dan aktivitas ekonomi.¹. Pendekatan untuk memitigasi dampak lingkungan dari plastik di lautan mencakup pengurangan penggunaan, penggunaan kembali, dan daur ulang. Namun, dari lebih dari 400 juta ton plastik yang diproduksi setiap tahun, hanya 9% yang didaur ulang², biasanya dengan metode pirolisis mekanis atau termal konvensional yang menghasilkan produk bernilai lebih rendah dibandingkan plastik asli atau perolehan energi yang tidak efisien dalam bentuk panas³. Dalam beberapa tahun terakhir, transformasi katalitik langsung dari sampah plastik menjadi bahan bakar, bahan kimia, dan material bernilai tambah semakin mendapat perhatian, karena potensi manfaatnya bagi lingkungan dan ekonomi.

Kredit: Sergey Ryzhov / Foto Stok Alamy

Cara umum untuk mendaur ulang sampah plastik secara langsung adalah dengan mendepolimerisasikannya menjadi monomer atau oligomer yang bernilai tambah (atau turunannya) tanpa transformasi lebih lanjut. Desain katalis menentukan produk dan distribusinya. Misalnya, dengan arsitektur katalis cangkang/situs aktif/inti mesopori yang menggabungkan situs platina katalitik di dasar mesopori, polietilen densitas tinggi (HDPE) dapat dihidrolisis secara selektif menjadi distribusi sempit alkana jenis diesel dan pelumas.⁴. Selain itu, nanopartikel rutenium pada zeolit ​​​​HZSM-5 mengkatalisis daur ulang HDPE pelarut/bebas hidrogen menjadi distribusi linier (C) yang dapat dipisahkan.₁-C₆) dan hidrokarbon siklik (C₇-C₁₅) (lihat Artikel dalam edisi ini oleh Du dan rekannya).

Strategi menarik lainnya untuk secara langsung menghasilkan produk bernilai tambah adalah dengan mendepolimerisasi sampah plastik dan sekaligus memfungsikan produk mentah yang dihasilkan. Produksi surfaktan aromatik dari polietilen dapat dicapai pada kondisi operasi yang relatif ringan, dengan menggabungkan aromatisasi dan hidrogenolisis dengan katalis platina/alumina.⁵. Selain itu, propilena dapat diproduksi secara selektif dari polietilen tingkat limbah dengan hasil sebesar 80% melalui dehidrogenasi parsial dan etenolisis tandem dari rantai desaturasi.⁶.

Pengenalan heteroatom dan halogen selama proses depolimerisasi juga membantu pembentukan produk bernilai tambah. Misalnya, produk gas hidrokarbon dapat dibuat dari konversi langsung polietilen melalui jalur oksidatif. Perlakuan asam nitrat mengubah polietilen menjadi asam organik (suksinat, glutarat, dan asam adipat), yang kemudian dapat diubah secara fotokatalitik atau elektrokatalitik menjadi olefin.⁷. Selain itu, daur ulang oksidatif polistiren menjadi oksigenat aromatik telah dicapai dengan fotokatalis karbon nitrida grafit di bawah iradiasi cahaya tampak. Konversi polistiren bisa lebih dari 90% pada 150 °C, menghasilkan terutama asam benzoat, asetofenon, dan benzaldehida dalam fase cair⁸.

Ada berbagai pendekatan tidak langsung lainnya untuk daur ulang plastik, di mana limbah plastik terlebih dahulu didepolimerisasi menjadi monomer, oligomer, atau turunannya, yang kemudian dapat diubah lebih lanjut menjadi bahan kimia bernilai tinggi melalui proses termo-, elektro-, foto-, atau kondisi bio-katalitik. Jalur daur ulang ini bersifat tidak langsung, karena melewati tahap pembentukan monomer terpisah dan mungkin berdampak negatif terhadap dampak lingkungan dan keekonomian proses dibandingkan dengan daur ulang langsung.⁹.

Plastik komersial biasanya merupakan campuran komponen atau formulasi yang mencakup polimer dan aditif molekul kecil. Faktor-faktor kunci seperti identitas dan susunan molekul (derajat percabangan dan/atau ikatan silang), kristalinitas, dan berat molekul menentukan sifat fisiko-kimia polimer dan aksesibilitas terhadap ikatan kimia, sehingga mempengaruhi efisiensi dan selektivitas katalitik. metodologi dekonstruksi plastik¹⁰. Untuk membandingkan secara kuantitatif katalis dan proses yang sedang dikembangkan untuk bahan baku yang berbeda dengan berbagai komposisi kimia dan struktur fisik, sifat fisik substrat polimer, komposisi dan struktur kimianya (identitas monomer, distribusi berat molekul, titik leleh, dan kristalinitas), serta serta kondisi reaksi (pH, suhu, pemuatan substrat, laju pengadukan, dan sebagainya) harus dilaporkan secara ketat. Metrologi dalam literatur pelaporan ini penting untuk mengoordinasikan kemajuan di lapangan dan membantu mengatasi masalah polusi plastik dengan cara yang bermakna.